Hogyan működik az optikai adatátvitel?

 

 

Az emberi hajnál vékonyabb üvegszál 43 terahertz sávszélességet hordoz. Az egész környék internetes forgalma-minden Netflix-adatfolyam, Zoom-hívás és TikTok-feltöltés-átfolyik valamin, amit véletlenül felszívhat. Ez nem elméleti kapacitás. A 2024-ben bemutatott üvegszálas rendszerek másodpercenként több tucat terabitet nyomtak át egyetlen kábelen, így az optikai adatátvitel a modern hálózatok gerincét képezi.

A fizika elsőre visszásnak tűnik. Az üveg jobban vezeti a fényt, mint a réz az adatokhoz. Sokkal jobban. Egy kilométer szál után kevesebb jelet veszít, mintha egyszer visszaverné a fényt a tükörről.

A legtöbb magyarázat úgy kezdődik, hogy "a fény áthalad az üvegen". Igaz, de haszontalan. Az érdekes rész az, hogy mi történik az üveg határán,-ahol a fizika tökéletes tükröt hoz létre, amely csak akkor létezik, amikor szüksége van rá. Nincs bevonat. Nincs ezüst hátlap. Csak kétféle üveg érinti, és a fény hirtelen akkor sem tud kiszökni, amikor akar.

 

 

Hogyan használja fel az optikai adatátvitel a teljes belső tükrözést

 

A teljes belső visszaverődés nem úgy viselkedik, mint a normál tükrök. Ragyogjon fényt egy normál tükörbe bármilyen szögben, így visszaverődik. A száloptikánál a visszaverődés csak akkor következik be, ha a fény eléri a 42 fok feletti határt (a tipikus üveg-levegő között). Ez alatt a szög alatt? A fény úgy halad át, mintha a határ nem létezne.

Ez a szelektív visszaverődés fénycsapdát hoz létre. Amint a fotonok megfelelő szögben belépnek a szálmagba, geometriailag rögzülnek. Minden egyes visszapattanás a kritikus szög felett tartja őket. A fény 186 000 mérföld/másodperc sebességgel cikázik le a kábelen (a vákuumban elért sebességének nagyjából kétharmada, amit az üveg 1,5 körüli törésmutatója lassít).

Az alapvető-burkolati felület biztosítja ezt. A mag törésmutatója körülbelül 1,48, míg a burkolat 1,46. Ez a 0,02-es különbség-csak 1,3%-os eltérés-elég. A sűrűbb magból a kevésbé sűrű burkolatba próbáló fény eltalálja ezt a határt és tökéletesen visszaver, lényegében nulla energiát veszítve a burkolatnak.

Az egymódusú{0}}szálak ezt tovább viszik. Csupán 8-10 mikronos magátmérőjükkel (egy vörösvértest körülbelül 7 mikron) csak egyetlen fényutat engednek meg. Ez kiküszöböli a modális diszperziót-azt a problémát, amikor a különböző fényutak különböző időpontokban érkeznek a szálon keresztül, elkenve a jelet. Az egymódusú szálak több mint 40 kilométeres adatátvitelre képesek erősítés nélkül.

 

Elektronok átalakítása fotonokká

 

Az átvitel végén egy lézerdióda vagy LED található. Az adatok elektromos impulzusok formájában érkeznek: a magas feszültség bináris 1, az alacsony feszültség bináris 0. A lézer ezeket 850 nm, 1310 nm vagy 1550 nm hullámhosszú -infravörös, emberi szem számára láthatatlan fényimpulzusokká alakítja.

Miért infra? Két ok. Először is, az üveg ezeken a hullámhosszokon a legátlátszóbb, 1550 nm-en a csillapítás 0,2 dB/kilométer alatt van. Másodszor, a szilícium fotodetektorok a legérzékenyebbek ebben a tartományban. Az 1550 nm-es "ablak" különösen értékes, mert azt az édes pontot találja el, ahol az üveg abszorpciója, szóródása és diszperziója minimális.

A lézerdiódák rendkívüli sebességgel képesek modulálni. A modern rendszerek 25 Gbps-ig közvetlen modulációt alkalmaznak, ahol maga a lézer másodpercenként több milliárdszor kapcsol be és ki. A 25 Gbps-on túl a rendszerek külső modulációra kapcsolnak,{4}}a lézer folyamatosan működik, miközben egy külön modulátor

(általában elektro{0}}optikai effektusokon alapul) változtatja a fény amplitúdóját, fázisát vagy mindkettőt.

A koherens átviteli rendszerek az amplitúdót és a fázist egyaránt modulálják, olyan technikákat használva, mint a 16-QAM (kvadratúra amplitúdómoduláció) vagy a 64-QAM. Ez lehetővé teszi számukra, hogy 1 bit helyett 4 vagy 6 bitet kódoljanak szimbólumonként. Adjon hozzá polarizációs -osztásos multiplexelést – két független adatfolyamot küld ortogonális fénypolarizáción – és ismét megduplázza a kapacitást. Az eredmény: a spektrális hatásfok megközelíti a 10 bit/sec/hertz sávszélességet.

A kódolás nanoszekundumban történik. A 100 Gbps sebességű bejövő elektromos jel azt jelenti, hogy a modulátornak 10 pikoszekundumonként (10^-11 másodpercenként) állapotot kell váltania. Ilyen sebesség mellett az elektronikus alkatrészek elérik fizikai határaikat. Ez az oka annak, hogy a 400G és 800G rendszerek egyre gyakrabban alkalmaznak koherens érzékelést digitális jelfeldolgozó (DSP) chipekkel, amelyek valós idejű számításokat végeznek a jel dekódolására.

 

Mi történik a rost belsejében

 

A fény nem halad egyenes vonalban a szálon keresztül. Méterenként több ezerszer ugrál több-módusú optikai szálon, vagy közel-egyenes pályát követ egy-módusú optikai szálon. Akárhogy is, három jelenség próbálja megsemmisíteni a jelét.

Csillapításfelszívódásból és szóródásból következik be. A tiszta szilícium-dioxid üveg elnyeli a fényt, mert egyetlen anyag sem tökéletesen átlátszó. A gyártás nyomokban szennyeződéseket vezet be (a hidroxil-ionok különösen problematikusak). A mikroszkópikus sűrűségváltozások az üvegben szórják a fényt (Rayleigh-szórás). A modern szálak már 0,15 dB/km csillapítást érnek el 1550 nm-en, ami azt jelenti, hogy 60 kilométer után még mindig az eredeti optikai teljesítmény 25%-a van.

Kromatikus diszperzióEz azért történik, mert a törésmutató kissé változik a hullámhossz függvényében. A lézer soha nem bocsát ki tökéletesen monokromatikus fényt{1}}mindig van bizonyos spektrális szélesség. A különböző hullámhosszú komponensek kissé eltérő sebességgel haladnak át az üvegen. Nagy távolságra ez minden fényimpulzust szétterít, ami a szomszédos impulzusok átfedését okozza. 1310 nm-en a kromatikus diszperzió közel nulla a standard szálak esetében. 1550 nm-en ez körülbelül 17 ps/(nm·km), de a diszperziós -kompenzációs szál képes ezt ellensúlyozni.

Polarizációs módú diszperzió (PMD)még az egymódusú{0}}száloptikát is érinti. A tökéletes hengeres szál fenntartja a polarizációt, de a mikroszkopikus tökéletlenségek és a feszültség kissé kettős törővé teszik a szálat. A különböző polarizációs állapotú fény különböző sebességgel halad, különböző időpontokban érkezik. A PMD véletlenszerű és változik a hőmérséklet és a mechanikai igénybevétel hatására, így nehezebb kompenzálni, mint a kromatikus diszperzió.

A nagy teljesítményű{0}}rendszerek további kihívással néznek szembe:nemlineáris hatások. Körülbelül 1 milliwatt feletti optikai teljesítménynél az üveg törésmutatója az intenzitástól függően változik. Ez négy-hullámkeveredést, ön-fázismodulációt és kereszt-fázismodulációs-jelenséget okoz, ahol a különböző hullámhosszú csatornák interferálnak egymással. A mérnökök ezt úgy kezelik, hogy a csatornánkénti teljesítményt alacsonyan tartják, és megfelelően elosztják a hullámhosszúságú csatornákat.

 

A fény visszafordítása adatokká

 

A vevő végén lévő fotodetektor a fotonokat visszaalakítja elektronokká. A legtöbb rendszer PIN (pozitív-intrinsic-negative) fotodiódákat vagy APD-ket (lavina fotodiódákat) használ. Amikor egy foton eléri a fotodiódát, egy elektront gerjeszt, és az optikai teljesítménnyel arányos áramot hoz létre.

A PIN fotodiódák egyszerűbbek és lineárisabbak, de erősebb jeleket igényelnek. Az APD-k belső erősítést biztosítanak (mint egy fénysokszorozó cső) a lavina sokszorosításával{1}}egy foton több tucat elektront képes generálni. Ez az APD-ket 10{4}}20-szor érzékenyebbé teszi, mint a PIN-fényképdiódák, ami döntő fontosságú a hosszú távú rendszerekben, ahol gyenge a jelerősség.

A fényérzékelés azonban zajt okoz. Az erősítő elektronikájából származó hőzaj véletlenszerű áramingadozásokat ad hozzá. A lövészaj magának a fénynek a kvantumtermészetéből fakad,{2}}a fotonok véletlenszerűen érkeznek, nem pedig tökéletesen szabályos áramlásokban, ami statisztikai eltéréseket okoz a fotoáramban. Az APD-kben pedig a lavinafolyamat túlzott zajt ad.

A vevőnek el kell döntenie, hogy az egyes szimbólumok 0-t vagy 1-et jelentenek-e (vagy többszintű moduláció esetén a lehetséges értékek közül melyiket). Ez a döntési küszöb kritikussá válik, ha a zaj és a jel romlása elmossa a különbséget. A fejlett vevőkészülékek továbbítási hibajavítást (FEC) használnak,{5}}redundanciát adva az átvitt adatokhoz, ami lehetővé teszi a vevő számára, hogy újraküldés nélkül észlelje és kijavítsa a bithibákat.

A modern 100G és 400G rendszerek koherens vevőket használnak helyi oszcillátorlézerrel. A bejövő optikai jelet ezzel a helyi oszcillátorral keverve nemcsak az intenzitást, hanem a fázist és a polarizációt is érzékelik. Ez visszanyeri a koherens adók által kódolt összes információt, és olyan kifinomult DSP technikákat tesz lehetővé, amelyek valós időben-kompenzálják az üvegszál károsodását.

A teljes adási{0}}vételi ciklus késleltetést vezet be. Az egymódusú szálaknál a fény körülbelül 200 000 km/s sebességgel halad (az üveg törésmutatóját figyelembe véve). New York-London transzatlanti kábelen keresztül (körülbelül 5500 km) nagyjából 28 milliszekundumos terjedési késést jelent. Adja hozzá az adó-vevő feldolgozást, kapcsolást és protokoll többletköltséget, és 60{11}}70 ezredmásodpercet kap, ami még mindig lenyűgözően gyors.

 

Hullámhossz{0}}Osztásos multiplexelés: Optikai adatátvitel skálázása

 

Az egyhullámhosszú rendszerek a jelenlegi technológiával szálonként legfeljebb 400 Gbps sebességet biztosítanak. A hullámhossz-osztásos multiplexelés (WDM) áttöri ezt a határt azáltal, hogy több hullámhosszt küld egyszerre egy szálon keresztül. Minden hullámhossz független adatfolyamot hordoz.

A DWDM (sűrű WDM) rendszerek a hullámhosszokat szorosan csomagolják, jellemzően 50 GHz vagy 100 GHz távolságra a C- sávban (1530-1565 nm). A modern rendszerek 80-96 csatornát telepítenek, amelyek mindegyike 100-400 Gbps sebességet hordoz, így a teljes szálkapacitás 8-38 terbit/s. Ez elég ahhoz, hogy körülbelül 20 másodperc alatt letöltse a teljes Netflix könyvtárat.

Minden hullámhosszhoz saját lézerre van szükség, amely pontosan be van hangolva és hőmérséklet{0}}stabilizált. Még a kis hullámhossz-sodródás is okozza a csatornák átfedését. Az optikai multiplexerek ezeket a hullámhosszokat egyetlen szálba egyesítik, a demultiplexerek pedig elválasztják őket a vevő oldalon. Ezek az eszközök interferenciaszűrőket, diffrakciós rácsokat vagy elrendezett hullámvezető rácsokat használnak a mindössze 0,4 nanométerrel elválasztott hullámhosszok megkülönböztetésére.

Az Erbium{0}}adalékolt szálerősítők (EDFA-k) az összes WDM-csatornát egyidejűleg erősítik. Amikor 980 nm-es vagy 1480 nm-es lézer pumpálja, a szálmagban lévő erbium ionok erősítő közegként működnek, felerősítve a jeleket az 1530-1565 nm-es tartományban. Az EDFA-k teljes optikai erősítést tesznek lehetővé anélkül, hogy elektronikává alakítanák át, így a tenger alatti kábelek 40-80 kilométerenként erősítik az óceánokat.

A gyakorlati WDM rendszerek mérnöki kihívásokkal néznek szembe. A nemlineáris effektusok skálája a csatornák számával és a teljes teljesítménnyel. A csatorna áthallás nagy távolságokon halmozódik fel. A 96 precízen-hangolt lézer hőmérséklet-ingadozásokkal és öregedéssel történő kezelése pedig kifinomult vezérlőrendszereket igényel. A sávszélesség-növekedés azonban érdemessé teszi a-2024-ben telepített tenger alatti kábelek szálpáronkénti 24 terabites teljesítményét.

 

Ahol az optikai átvitel meghibásodik

 

A szennyeződés megöli az optikai jeleket.A szálas csatlakozón lévő ujjlenyomat 1-2 dB beillesztési veszteséget- okozhat 1550 nm-en, ami a jel 20-37%-át veszíti el pusztán a bőrolaj miatt. A porrészecskék szórják a fényt. A megfelelő tisztításhoz izopropil-alkohol és szöszmentes törlőkendő szükséges, valamint mikroszkópos ellenőrzés (400-szoros nagyítás felületi hibákat tár fel). Az adatközpontok jelentése szerint a csatlakozási problémák 80%-a piszkos csatlakozókra vezethető vissza.

Fizikai sérüléskönnyebben megtörténik, mint gondolnád. A szál kritikus hajlítási sugara jellemzően 30 mm a beépítésnél és 15 mm hosszú távú{3}} működésnél. A szorosabb hajlítások mikrohajlítási veszteséget okoznak,{5}}a fény a kanyarnál „kiszivárog”. Makrohajlítás akkor fordul elő, ha a szál túl szorosan tekeredik a kábeltekercsek köré. A rágcsálók pedig szeretnek átrágni a szálkábeleket (úgy tűnik, az erősítőelemek jó ízűek). A páncélozott kábel segít, de növeli a költségeket.

Csatlakozási hibáka legfontosabb mezőnykérdés. A mechanikus toldás rosszul igazítja a szálmagokat. A rossz fúziós toldás légréseket vagy szennyeződést hagy maga után. Még a jó csatlakozóknál is 0,2-0,5 dB beillesztési veszteség páronként. Egy 10 csatlakozós kapcsolatnál 2-5 dB-t veszít, mielőtt figyelembe venné a szálcsillapítást. Az előre lezárt kábelek ezt minimalizálják, de csökkentik a rugalmasságot.

Környezeti tényezőkstressz optikai rendszerek. A hőmérséklet ingadozása megváltoztatja a szál hosszát (a hőtágulási együttható körülbelül 0,5 ppm/fok), ami hullámhossz-driftet okoz a WDM rendszerekben. A páratartalom közvetlenül nem befolyásolja az üveget, de korrodálja a csatlakozókat és a csatlakozódobozokat. Az ipari környezetben előforduló vibráció meglazíthatja a csatlakozókat. A villámlásból vagy elektromos hibákból származó elektromágneses impulzusok nem közvetlenül károsítják a szálakat, de tönkretehetik az adó-vevőket.

Adó-vevő kompatibilitásfrusztrálja a hálózatmérnököket. Előfordulhat, hogy az A szállító SFP+ modulja nem működik a B szállító kapcsolójában, még akkor sem, ha mindkét követelés megfelel a szabványoknak. A Digital Optical Monitoring (DOM) adatformátumai eltérőek. Az energiaköltségvetések nem mindig egyeznek. A hosszú távú (40 km-re tervezett) adó-vevő (40 km)

A bithibaarány (BER) metrika számszerűsíti ezeket a hibákat. A "tiszta" szálas kapcsolat 10^-12 alatti BER-t ér el (kevesebb mint egy hiba trillió bitenként). Szennyezés vagy sérülés esetén ez 10^-6-ra vagy még rosszabbra csökken, ahol a FEC nem tud lépést tartani. Ekkor a csomagvesztés láthatóvá válik – a videó streamelése akadozik, a letöltések sikertelenek, a hálózati alkalmazások időtúllépése.

 

Költség és telepítési valóság

 

A többmódusú optikai szál méterenként 0,50-2 dollárba kerül, az egymódusú szál méterenként 0,30-1 dollárba kerül. Maga a rost olcsó. A szerelési költségek dominálnak: a földkábel árokásása méterenként 50-200 dollárba kerül terepviszonyoktól függően. A meglévő oszlopokon történő légi telepítés méterenként 10-30 dollárra csökkenti, de az engedélyezési kihívásokkal és a viharsebezhetőséggel kell szembenéznie.

Az adó-vevők 1G SFP modulok esetén 20 USD-tól 10G SFP+ 500 USD-ig, 100G QSFP28 esetén 2000 USD-ig, 400G QSFP-DD 8000 USD-ig terjednek. A hosszú távú koherens adó-vevők 100 km-nél tovább 15 000-30 000 dollárba kerülnek. Ezek az árak az idő múlásával csökkennek, de továbbra is uralják az adatközponti összeköttetések és a metróhálózatok gazdaságosságát.

A tenger alatti kábelek az optikai átviteli beruházások szélsőséges végét jelentik. Egy transzatlanti kábel 300-500 millió dollárba kerül, telepítése két évig tart. De 10-50 évnyi szolgáltatást nyújt terabit/másodperc sebességgel, így a közgazdaságtan működik a nagy internetes gerinchálózati szolgáltatók számára. A legújabb kábelek, mint például a Grace Hopper (2024) 4100 mérföldet húznak át 17 szálpárral, amelyek mindegyike 24 terabit/másodperc sebességű.

A karbantartási költségek nagyon változóak. Az ellenőrzött környezettel rendelkező adatközpontok kevés problémát látnak a kábelek megfelelő telepítése után. A kültéri üzem folyamatos karbantartást igényel: víz a kötések lezárásában, szálszakadások az építkezésből, csatlakozók korróziója, kábelhiba a jégterhelés miatt. A távközlési szolgáltatók a beruházási kiadások 2-5%-át szánják évente karbantartásra.

A teljes birtoklási költség 100 méter feletti távolságok esetén az üvegszálat részesíti előnyben. Ez alatt a réz jól működik 1-10G sebességgel. 10G felett a szál kötelezővé válik még rövid távon is. A keresztezési pont folyamatosan változik, ahogy az adó-vevő költségei csökkennek, és a réz nagyobb sebességgel küzd.

 

 

Ingyenes-Space Optical vs Fiber

 

Nem minden optikai átvitel használ üvegszálat. A szabad-űroptikai (FSO) rendszerek lézersugarat továbbítanak a levegőben vagy az űrben, 10 Gbps sebességet érve el 1-2 kilométeren városi környezetben, vagy akár 40 Gbps sebességet az alacsony Föld körüli pályán lévő műholdak között.

Az FSO elkerüli az üvegszálas telepítés költségeit, ideiglenes összeköttetéseket vagy olyan helyeket keres, ahol az árokásás lehetetlen. Jól működik az építés-a-utcák vagy parkolók közötti kapcsolatok kiépítése. Az FSO azonban olyan kihívásokkal néz szembe, amelyekkel az üvegszál nem: a köd kilométerenként 100 dB-lel növelheti a csillapítást (szál: 0,2 dB/km), az eső 10 dB/km-rel, a szcintilláció (atmoszférikus turbulencia) pedig véletlenszerű jelgyengülést okoz.

A mutatás és a követés kritikussá válik. Egy 1 -milliradian sugarú sugár 1 kilométeren át 1- méteres foltot hoz létre. A szél vagy a hőtágulás következtében kialakuló kilengések teljesen eltolhatják a kapcsolatot. Az aktív nyomkövető rendszerek kompenzálják, de bonyolultabbá teszik. És a fizikai akadályok – madarak, rovarok, építkezés – átmenetileg blokkolhatják a sugarat.

A műholdas optikai kapcsolatok a végletekig taszítják az FSO-t. A SpaceX Starlink konstelláció lézeres keresztkötéseket használ a műholdak között, és 100 Gbps sebességet ér el akár 5000 kilométeres távolságon keresztül vákuum révén. Nincs légköri csillapítás, de a több ezer kilométeren átívelő pontos mutatáshoz kifinomult algoritmusokra van szükség. A relatív mozgásból származó Doppler-eltolódást kompenzálni kell. Az űrszemét pedig állandó fenyegetést jelent.

Az FSO inkább kiegészíti, mint helyettesíti a rostokat. A Fiber biztosítja a nagy-megbízhatóságú gerinchálózatot, míg az FSO kezeli azokat a peremes eseteket, ahol az optikai szál nem praktikus. A hibrid rendszerek mindkét szálat-használják az elsődleges útvonalhoz, az FSO-t feladatátvételként vagy kapacitásbővítésként.

 

Feltörekvő technológiák és jövőbeli irányok

 

Az üreges-magszál a fényt a fotonikus kristályszerkezeten belül vezeti át a levegőn, nem pedig tömör üvegen. Ez csökkenti a késleltetést (levegőben közel 300 000 km/s sebességgel halad a fény, míg az üvegben 200 000 km/s), és kiküszöböli a nemlineáris hatásokat. A pénzügyi kereskedő cégek minden megtakarított mikroszekundum után felárat fizetnek, így az üreges{7}}magszál gazdaságilag életképes bizonyos útvonalakon. A technikai kihívások továbbra is a-magasabb gyártási költségek, a nagyobb törékenység és a megnövekedett hajlítási érzékenység.

A térosztásos multiplexelés (SDM) több-magos vagy kevés-módusú szálat használ a kapacitás megsokszorozásához. A hét-magos szál hatékonyan hét független szálat biztosít egyetlen kábelben. A demonstrációs rendszerek több mint 100 Tbps sebességet értek el az SDM és a WDM kombinációjával. De a magok közötti mód-csatolás áthallást okoz, és a splicing exponenciálisan nehezebbé válik. A kereskedelmi bevezetés 5-10 évre van hátra.

Az orbitális szögimpulzus (OAM) multiplexelés a fényt spirális hullámfrontokká csavarja, és egy újabb multiplexelési dimenziót hoz létre. A laboratóriumi bemutatók kapacitásnövekedést mutatnak, de a gyakorlati megvalósítás komoly kihívásokkal néz szembe. Az OAM-módok szabad-területet vagy speciális szálakat igényelnek, nagy veszteséggel bírnak, és rendkívül érzékenyek a zavarokra. A legtöbb kutató manapság az OAM-ot a meglévő technikák kiegészítőjének tekinti, nem pedig forradalminak.

Az üvegszálon keresztüli kvantumkommunikáció elméletileg feltörhetetlen titkosítást tesz lehetővé kvantumkulcs-elosztáson (QKD) keresztül. A fotonok olyan kvantumállapotokat kódolnak, amelyek nem mérhetők anélkül, hogy megzavarnák őket, felfedve a lehallgatási kísérleteket. Kína 2017-ben 2000 -kilométeres QKD-hálózatot telepített. A QKD-rendszerek azonban drágák, összetettek, és nem növelik közvetlenül az adatkapacitást,{7}}biztosítják a csatornát, nem pedig bővítik azt. A gyakorlati QKD továbbra is a nagy biztonságú alkalmazásokra korlátozódik.

A szilícium fotonika optikai komponenseket integrál a szilícium chipekre CMOS gyártás segítségével. Ez jelentős költségcsökkentést ígér az adó-vevők, kapcsolók és multiplexerek számára. Az Intel, a Cisco és mások szilícium fotonikus termékeket szállítottak 2024-ben. A szilícium azonban a szokásos távközlési hullámhosszokon nyeli el a fényt, ezért a lézerekhez való III-V anyagokkal való hibrid integrációt igényel. A technológia folyamatosan javul, de még nem érte el az ígért-mérték-mértékű költségcsökkentést.

 

Gyakran Ismételt Kérdések

 

Mekkora az optikai szálon keresztüli adatátvitel tényleges sebessége?

A fény fizikai terjedési sebessége az üvegszálon keresztül körülbelül 200 000 km/s, -körülbelül a vákuumban mért fénysebesség 67%-a, amit az üveg 1,5-ös törésmutatója lassít. Az adatátviteli kapacitás tekintetében a modern egy{5}hullámhosszú rendszerek 100-400 Gb/s-ot érnek el, míg a több hullámhosszt egyszerre hordozó WDM-rendszerek szálanként 8-38 terabit/sec. A tipikus távolságok várakozási ideje körülbelül 5 mikroszekundum kilométerenként.

Az optikai szálak hordozhatnak-e energiát az adatokkal együtt?

A szabványos optikai szálak csak fényjeleket hordoznak, és nem képesek elektromos energiát továbbítani. A hibrid kábelek azonban az optikai szálakat rézvezetőkkel kötik össze, hogy adatot és áramot is biztosítsanak,{1}}az ipari alkalmazásokban és a távközlési berendezésekben gyakran előfordul. Egyes kutatások az optikai jelek energiaátvitelének kódolását kutatják, de a gyakorlati teljesítményszintek továbbra sem elegendőek a legtöbb alkalmazáshoz, amelyet korlátoznak a fotoelektromos átalakítási hatékonyság és a szálkárosodási küszöbértékek.

Miért van szükségük az üvegszálas rendszereknek erősítőkre, ha ilyen alacsony a szálveszteség?

Még akkor is, ha a csillapítás már 0,2 dB/km, a jelek nagy távolságokon jelentősen gyengülnek. 100 kilométer megtétele után a jelerősség az eredeti teljesítmény 1/100 000-ére csökken. A fotodetektoroknak minimális teljesítményszintre van szükségük az elfogadható bithibaarányok fenntartásához. Az erősítők (hosszú távú rendszerekben jellemzően 40-80 km-enként EDFA-k) visszaállítják a jelerősséget anélkül, hogy elektronikává alakítanák át őket, lehetővé téve a több ezer kilométeren átnyúló óceáni kábelek használatát.

Mi határozza meg, hogy egy-módusú vagy több-módusú optikai szálat használjunk?

A távolságra és a sávszélességre vonatkozó követelmények határozzák meg a választást. A több-módusú optikai szál (50-62,5 mikronos mag) jól működik 550 méter alatti távolságon 10 Gb/s-on, olcsóbb LED-adó-vevőket használ, és könnyebben összeilleszthető és csatlakoztatható. Egymódusú szál (8-10 mikronos mag) 550 méter feletti távolságokhoz és 10 Gbps feletti adatátviteli sebességhez szükséges, drágább lézeres adó-vevőket igényel, és pontos igazítást igényel, de gyakorlatilag korlátlan távolságot támogat erősítéssel.

Hogyan befolyásolja az időjárás az eltemetett vagy légi száloptikai kábeleket?

Magát az üvegszálat nem befolyásolja az időjárás,{0}}védi az elektromágneses interferenciát, a hőmérséklet-ingadozásokat és a nedvességet. A jégterhelés, a hőtágulási/összehúzódási ciklusok és az elárasztás okozta mechanikai igénybevétel azonban károsíthatja a kábeleket. A légkábelek nagyobb meghibásodással szembesülnek a viharok és a lehulló ágak miatt. A föld alatti kábelek jobban védettek, de érzékenyek a talajmozgásra és a nedvesség behatolására a toldások lezárásában. A kábel megfelelő tervezése és telepítése csökkenti ezeket a kockázatokat.

Az optikai kábelek leágazhatók vagy elfoghatók, mint a rézkábelek?

Az üvegszál elfogása fizikai hozzáférést és speciális felszerelést igényel. Ellentétben a rézkábelekkel, amelyek elektromágneses jeleket sugároznak, amelyek távolról is rögzíthetők, a szál a fényt a magon belül korlátozza a teljes belső visszaverődés révén. A koppintáshoz vagy meg kell szakítani a szálat (nyilvánvaló jelvesztést okozva), vagy élesen meg kell hajlítani, hogy fény szivárogjon (a teljesítményfigyeléssel észlelhető). A kvantumkulcs-elosztó rendszerek még a nem-invazív lehallgatási kísérleteket is képesek észlelni, így a szálak eleve biztonságosabbak, mint az elektromos átvitel.

Mi okozza a különböző hullámhosszak (850 nm, 1310 nm, 1550 nm) alkalmazását?

A különböző hullámhosszúságok több tényezőt is egyensúlyba hoznak. 850nm jól működik az olcsó több-módusú szálas és VCSEL lézerekkel rövid távolságokon, de az üvegabszorpció nagyobb. 1310a nm eléri a "nulla diszperziós" pontot a szabványos egy-módusú szálban, ahol a kromatikus diszperzió} minimálisra van csökkentve a hálózat minimális{{4} mellett. (0,15-0,2 dB/km), és erbium-adalékolt erősítőkkel működik, így optimális a hosszú távú átvitelhez. A választás a távolsági követelményektől, a szál típusától és az erősítési igényektől függ.

Hogyan érnek el a szálas csatlakozók alacsony veszteséget annak ellenére, hogy leválaszthatók?

A precíziós érvéghüvelyek (kerámia vagy fém) tartják a szál végét, szub{0}}mikron síkságúra polírozva és 1-2 mikronon belülre igazítva. Az érvéghüvelyek párosításkor fizikailag érintkeznek, és a rugónyomás fenntartja az igazítást. Ennek ellenére a tipikus csatlakozóveszteség párosításonként 0,2-0,5 dB (körülbelül 5-11% teljesítményveszteség). Az alacsonyabb veszteséghez fúziós splicing szükséges, amely tartósan összekapcsolja a szálakat azáltal, hogy összeolvasztja őket, 0,01-0,1 dB veszteséget érve el, de kiküszöböli a szétválasztás lehetőségét.

 

A lényeg

 

Az optikai adatátvitel azért működik, mert a teljes belső reflexió a fényt egy hajszálnál vékonyabb üveg belsejében tartja, és a modern elektronika másodpercenként milliárdszor képes modulálni ezt a fényt. A fizika egyszerű,-az üvegen átverődő fény-de ennek megvalósítása terabit-per-sebességgel az óceánon-átfogva, rendkívüli mérnöki munkát igényel.

A technológia nem tökéletes. A szennyeződés, a fizikai sérülések és az alkatrészek kompatibilitása valós-meghibásodásokat okoz. De megfelelően telepítve és karbantartva az optikai szál páratlan sávszélességet, távolsági képességet és zavarvédelmet biztosít. Ez az oka annak, hogy a házon kívül gyakorlatilag minden internetkapcsolat, minden adatközpont és minden óceánon túli kapcsolat optikai szálon működik.

A következő évtized forradalmi változások helyett fokozatos javulást hoz. A kapacitás a sűrűbb WDM-en és potenciálisan az SDM-en keresztül skálázódik. A szilícium fotonika csökkentheti az adó-vevő költségeit. De az optikai adatátvitel -modulált fény, amely a teljes belső visszaverődésen keresztül az üvegen keresztül terjed-, továbbra is a globális kommunikáció gerince marad. A fizika túl jól működik ahhoz, hogy lecserélje.